采用微动探测器阵列提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种采用微动探测器阵列提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系统，所述解调系统包括泵浦源、波分复用器、布拉格光纤光栅、光阑、狭缝、准直镜、分光光栅、成像镜和线阵探测器、压电执行元件及电压控制系统，其中所述泵浦源、波分复用器和布拉格光纤光栅依次连接，所述波分复用器同时连接光阑，所述泵浦源发出的光通过波分复用器的耦合后进入布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的反射谱作为注入光进入光纤光栅解调系统，注入光通过狭缝后，依次通过准直镜、分光光栅、成像镜的反射，最终汇聚到线阵探测器上，其中所述线阵探测器沿其长轴方向左右移动微小距离。
【专利说明】
采用微动探测器阵列提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种采用微动探测器阵列提高光谱分辨率的 光纤光栅解调系统及方法。
【背景技术】
[0002] 光纤光栅是一种新型无源传感元件，具有高灵敏度，抗电磁干扰能力强，耐腐蚀等 诸多优点，自用于传感以来，已经取得了快速持续的发展，在航空航天、建筑结构、石油等领 域的安全监测方面有着广阔的应用前景。光纤光栅解调系统是整个传感系统的关键部分， 实现高精度、高分辨率、动态和静态参量结合、多点复用检测和低成本是光纤光栅解调技术 发展的趋势。光纤解调的方法有多种，调谐F-P滤波法只能用于测量静态应变，可调谐激光 器法的成本非常高，非平衡M-Z干涉法易受环境影响，不利于工程应用。随着近年来光学探 测器的迅猛发展，使得小型化光纤光谱仪快速发展，基于光谱成像法的光纤解调技术也随 之发展起来。基于光谱成像法的光纤光栅解调仪体积小，集成化程度高，可用于测量静态和 动态应变，在众多解调方法中具有突出优点，是解调系统研究的一个重要方向，其中，解调 仪的光学系统性能直接影响了系统的分辨率，是解调仪的一个关键。
[0003] 光栅光谱仪的光学系统结构种类较多，目前应用比较普遍的是Czerny-Turner光 路结构，即以两面凹面反射镜分别作为准直镜和成像镜，以平面反射光栅作为色散元件。这 一方面是因为平面光栅设计难度低，复制成本低廉，衍射效率高；另一方面是由于Czerny-Turner结构可调节和布置的结构参数较多，可以避免二次或多次衍射，便于采用光电阵列 探测器接收光谱。常见的小型Czerny-Turner光谱仪主要分为交叉型和M型2种结构。M型是 Czerny-Turner光谱仪的经典结构，代表产品是荷兰Avantes公司研制的Avaspec系列小型 光纤光谱仪;交叉型则是由其演变而来，其结构更紧凑，空间利用率高。然而，由于线阵列图 像传感器像素数目有限，光谱空间分辨率受到限制。
[0004] 因此，能否在线阵传感器像素有限的情况下实现高分辨率光栅波长精确解调，是 本领域亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种采用微动探测器阵列提高线阵图像传感器光谱分辨 率的光纤光栅解调系统，所述解调系统包括栗浦源、波分复用器、布拉格光纤光栅、光阑、狭 缝、准直镜、分光光栅、成像镜和线阵探测器、压电执行元件及电压控制系统，其中所述栗浦 源、波分复用器和布拉格光纤光栅依次连接，所述波分复用器同时连接光阑，所述栗浦源发 出的光通过波分复用器的親合后进入布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的反射谱作为 注入光进入光纤光栅解调系统，注入光通过狭缝后，依次通过准直镜、分光光栅、成像镜的 反射，最终汇聚到线阵探测器上，其中所述线阵探测器沿其长轴方向左右移动微小距离。
[0006] 优选地，所述线阵探测器移动范围在0-1厘米之间。
[0007] 优选地，所述线阵探测器通过压电执行元件来高速调整。
[0008] 优选地，所述移动微小距离的方法如下：
[0009] a)压电执行元件调节至最低端，此电压为初调电压；
[0010] b)记录最低端光谱数据为初始光谱；
[0011] c)小步距调节压电执行元件，计算当前光谱与初始光谱，所述压电执行元件为位 置伺服，通过输入位置指令来控制线阵探测器进行微移动，对入射光的空间位置进行调节， 最终确定光谱成像位置；
[0012] d)首次相关度峰值时的调节电压记录为终调电压；
[0013] e)将初调电压与终调电压间等分为若干等级，每次解调均对各等级进行测量，以 获得更高的空间分辨率。
[0014] 优选地，所述子步骤b)的具体处理过程如下：
[0015] 当有256个像素时，则可以得到256个分段积分值：{IO，11，12，........ 1255}，当 像素沿某一方向微动扫描时，得到另一数列：{IO '，IΓ，12'，........1255'}，将此数列前 去前者，得到：U〇'-IO，II'-Il，12'-12,...... 1255 '-1255，}，SP {G1-G0，G2_G1，G3- G2,......};其中GO表示第0位置的光强真值，Gl表示1位置的光强值;对此数列进行求和， 得到{G1-G0，G2-G0，G3-G0，......G255-G0}，这样得到的是第一次微调后的新值，然后是第 二次微调后的新值，如果微调了 N次，就得到N次的插值。
[0016] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当 用作对本发明所要求保护内容的限制。
【附图说明】
[0017] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下 描述得以阐明，其中：
[0018] 图1为根据本发明的提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系统的结构 示意图；
[0019] 图2示意性示出了采用狭缝平移提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调 系统的结构示意图；
[0020] 图3示意性示出采用准直镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统 的结构示意图；
[0021] 图4示意性示出采用微动光栅提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统的 结构示意图；
[0022] 图5示意性示出采用成像镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统 的结构示意图；
[0023] 图6示意性示出采用线阵探测器微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调 系统的结构示意图；
[0024] 图7示意性示出提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统的结构示意图；
[0025] 图8示意性示出根据本发明的采用线阵探测器微动扫描提高光谱分辨率的光纤光 栅解调系统提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系统的反馈控制方法的流程 图；
[0026] 图9(a)示出了一个光强在空间呈一维高斯曲线分布图；
[0027] 图9(b)示出了不调节狭缝时扫描后的多次测量结果插值后的结果图；
[0028] 图9(c)示出了调节狭缝时扫描后的多次测量结果插值后的结果图。
【具体实施方式】
[0029] 图1为根据本发明的提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系统的结构 示意图；本发明提供的一种采用线阵探测器微动提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光 栅解调系统100如图1所示，所述光纤光栅解调系统100包括栗浦源（LD)lOl、波分复用器 (WDM)102、布拉格光纤光栅(FBG) 103、光阑104、狭缝105、分光光栅106、准直镜107、成像镜 108和线阵探测器(CXD) 109。栗浦源101、波分复用器102和布拉格光纤光栅103依次连接，波 分复用器102同时连接光阑104。栗浦源101发出的光通过波分复用器102的耦合后进入布拉 格光纤光栅103,布拉格光纤光栅103的反射谱作为注入光进入光纤光栅解调系统。注入光 通过狭缝105后，依次通过准直镜106、分光光栅107、成像镜108的反射，最终汇聚到线阵探 测器(CCD) 109上。
[0030] 首先，将栗浦源101、波分复用器102、布拉格光纤光栅103以图1所示方式熔接，其 中布拉格光纤光栅103应具有较高的反射率以及较窄的线宽。根据本发明的实施方式的波 分复用器(WDM)102、布拉格光纤光栅(FBG)103的参数选择均需要同栗浦波长、激光出射波 长参数匹配，具体的参数如表1所示。
[0031] 表1根据本发明的解调系统的反射谱光源参数
[0033] 实施方式中若选用芯径为10/125μπι掺铒光纤作为增益介质，栗浦源LD尾纤、波分 复用器WDM需选取同样型号芯径。栗浦源LD输出波长976nm，波分复用器WDM工作波长976/ 1550nm，布拉格光纤光栅FBG选取范围为1530nm-1560nm，可在该范围内获得激光输出。实验 中若选用芯径为1〇/125μπι掺镱光纤作为增益介质，栗浦源LD尾纤、波分复用器WDM需选取同 样型号芯径。栗浦源LD为915nm单模输出，波分复用器WDM工作波长915/1064nm，布拉格光 纤光栅FBG选取1064nm附近，可在该范围内获得激光输出。
[0034] 布拉格光纤光栅103的反射光作为入射光a经过光阑104照射到准直镜106维持光 束的准直性，然后准直光照射到分光光栅107上进行衍射分光，之后经过成像镜108,汇聚在 线阵探测器109。
[0035] 分光光栅107可由公式（1)表示
[0036] nA = d(sina土sinP) (1)
[0037]其中η为光谱级，n = 0, ±1，±2. ... ;a为入射角;β为反射角；Θ为闪耀角；d为光栅 常数。
[0038] n = 0为零级光谱，此时，β与λ无关，即无分光作用;n= ±1，±2对应为一级光谱和 二级光谱，其中一级光谱能量强，可用于实现分光。光栅分辨率与波长无关，分离后的光谱 属于均排光谱，光栅的理论分辨率为光栅刻线数与光谱级次的乘积，可有公式(2)表示
[0039] R = nN (2)
[0040] 对于宽度为50mm，刻线数为1200条/mm的光栅，其一级光谱的分辨率为6 X 104。
[0041] 将布拉格光纤光栅103反射光作为注入光源，这样减小了入射光的谱宽，在光栅分 辨率确定的条件下能够获得更间隔更加精细的干涉条纹。此时对狭缝、光阑、分光光栅、准 直镜、成像镜和线阵探测器进行调节，通过输入位置指令来控制狭缝微移动或控制分光光 栅、准直镜、成像镜和线阵探测器的微转动，对入射光的空间位置进行调节，则入射到成像 镜的光路发生变化，汇聚到线阵探测器上的条纹也发生相应的变化，最终确定光谱成像位 置。
[0042] 具体地，由以下实施例进行详细描述。
[0043] 实施例1
[0044] 图2中（a)示意性示出了采用狭缝平移提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光 栅解调系统的结构示意图。如图2中（a)所示，对狭缝105进行调节，使狭缝沿图示箭头b方向 移动，狭缝移动步长为0.1微米，调节范围在0-1厘米之间。狭缝105通过压电执行元件来高 速调整。压电执行元件通过电压控制系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在 最小像素间隔范围内进行移动。这样，入射到成像镜108的光路就会发生变化，汇聚到线阵 探测器109上的条纹也发生相应的变化，光路变化示意图如图2中（b)所示。通过调节光纤入 射狭缝的宽度，能够实现条纹的微小移动，从而达到提高测试精度的作用。
[0045] 实施例2
[0046] 图3示意性示出采用准直镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统 的结构示意图。如图3所示，对准直镜106进行调节，使准直镜沿图示箭头c方向旋转，旋转角 度为逆时针或顺时针旋转10°-30°。准直镜106通过压电执行元件来高速调整。压电执行元 件通过电压控制系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范围内 进行移动。这样，入射到成像镜108的光路就会发生变化，汇聚到线阵探测器109上的条纹也 发生相应的变化。通过调节准直镜的旋转角度，能够实现条纹的微小移动，从而达到提高测 试精度的作用。
[0047] 实施例3
[0048]图4示意性示出采用微动光栅提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统的 结构示意图。如图4所示，对分光光栅107进行调节，使分光光栅沿图示箭头d方向旋转，旋转 角度为逆时针或顺时针旋转10° _30°。分光光栅107通过压电执行元件来高速调整。压电执 行元件通过电压控制系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范 围内进行移动。这样，入射到成像镜108的光路就会发生变化，汇聚到线阵探测器109上的条 纹也发生相应的变化。通过调节分光光栅的旋转角度，能够实现条纹的微小移动，从而达到 提高测试精度的作用。
[0049] 实施例4
[0050] 图5示意性示出采用成像镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统 的结构示意图。如图5所示，对成像镜108进行调节，使分光光栅沿图示箭头e方向旋转，旋转 角度为逆时针或顺时针旋转10° _30°。成像镜108通过压电执行元件来高速调整。压电执行 元件通过电压控制系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范围 内进行移动，汇聚到线阵探测器109上的条纹也发生相应的变化。通过调节成像镜的旋转角 度，能够实现条纹的微小移动，从而达到提高测试精度的作用。
[0051 ] 实施例5
[0052]图6示意性示出采用线阵探测器微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调 系统的结构示意图。如图5所示，对线阵探测器109进行调节，使分光光栅沿图示箭头f方向 左右移动。狭缝移动步长为0.1微米，调节范围在0-1厘米之间。线阵探测器109通过压电执 行元件来高速调整。压电执行元件通过电压控制系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感 器的位置在最小像素间隔范围内进行移动。通过调节线阵探测器的旋转角度，能够实现条 纹的微小移动，从而达到提高测试精度的作用。
[0053] 实施例6
[0054]图7示意性示出提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统的结构示意图。 如图7所示，对狭缝、光阑、分光光栅、准直镜、成像镜和线阵探测器中的至少两个进行微调， 所述狭缝、光阑、分光光栅、准直镜、成像镜和线阵探测器通过压电执行元件来高速调整。压 电执行元件通过电压控制系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间 隔范围内进行移动。通过调节狭缝、光阑、分光光栅、准直镜、成像镜和线阵探测器的旋转角 度，从而达到提高测试精度的作用。
[0055] 图8示意性示出根据本发明的提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系 统的反馈控制方法的流程图。具体控制方法如下：
[0056] 首先，步骤801，压电执行元件调节至最低端，此电压为初调电压；
[0057]步骤802，记录最低端光谱数据为初始光谱；
[0058] 步骤803,小步距调节压电元件，压电元件为位置伺服，通过输入位置指令，分别调 节狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器，计算当前光谱与初始光谱。调节高斯图像 在CCD上的移动距离到达一个像素宽度时，即完成一次扫描，把一次扫描的各次测量数据分 别插值，形成一个更为平滑的曲线。其处理过程是这样的，像素的输出是对光强曲线的分段 积分，当有256个像素时，则可以得到256个分段积分值：{IO，11，12，........1255}，当像素 沿某一方向微动扫描时，得到另一数列：{10'，11'，12'，........1255' }，将此数列前去前 者，得到：UO '-IO，Il '-II，12'-12,...... 1255 '-1255，}，BP {G 卜GO，G2-G1，G3- G2,......}。其中GO表示第0位置的光强真值(注意是0位置，而非在像素尺度内的光强积 分），G1表示1位置的光强值。对此数列进行求和，得到{G1-G0，G2-G0，G3-G0,......G255- G0}，这样得到的是第一次微调后的新值，然后是第二次微调后的新值，如果微调了 N次，就 得到N次的插值。
[0059]步骤804,首次相关度峰值时的调节电压记录为终调电压；
[0060]步骤805,将初调电压与终调电压间等分为若干等级，根据各个等级来确定狭缝的 移动距离或分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器的旋转角度。
[0061] 步骤806,返回步骤803,每次解调均对各等级进行测量，以获得更高的空间分辨 率。
[0062] 图9(a)_9(c)示出了本发明调节狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器提 高光谱空间分辨率的原理。图9(a)示出了光强在空间呈一维高斯曲线分布图。一个光强在 空间呈一维高斯曲线分布的光束照射到一个CCD传感器上，CCD的各像素紧密排列，每个像 素相当于一个竖格，如图9(a)所示，像素的输出实际是对落在一个像素上的光强总量的积 分。由于离散化过大，导致对图像分辨率较低，为提高曲线的采样点数，通过调节狭缝、分光 光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器，来改变高斯曲线在CCD传感器上的位置，相当于移动 CCD传感器对曲线的不同位置进行采集。狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器的微 调，相当于对传感器的位置微调，这样就得到对曲线更加细腻的刻画。图9(b)为不调节狭 缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器时扫描后的多次测量结果插值后的结果图。图9 (c)为调节狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器时扫描后的多次测量结果插值后 的结果图。由图9(b)和9(c)可知，调节狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器，调节 高斯图像在CCD上的移动距离到达一个像素宽度时，即完成一次扫描，把一次扫描的各次测 量数据分别插值，形成一个更为平滑的曲线。
[0063] 结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员 都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均 由权利要求所限定。
【主权项】
1. 一种采用微动探测器阵列提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系统，所 述解调系统包括栗浦源、波分复用器、布拉格光纤光栅、光阑、狭缝、准直镜、分光光栅、成像 镜和线阵探测器、压电执行元件及电压控制系统， 其中所述栗浦源、波分复用器和布拉格光纤光栅依次连接，所述波分复用器同时连接 光阑， 所述栗浦源发出的光通过波分复用器的耦合后进入布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤 光栅的反射谱作为注入光进入光纤光栅解调系统， 注入光通过狭缝后，依次通过准直镜、分光光栅、成像镜的反射，最终汇聚到线阵探测 器上， 其中所述线阵探测器沿其长轴方向左右移动微小距离。2. 如权利要求1所述的光纤光栅解调系统，其中所述线阵探测器移动范围在0-1厘米之 间。3. 如权利要求2所述的光纤光栅解调系统，其中所述线阵探测器通过压电执行元件来 高速调整。4. 如权利要求1所述的光纤光栅解调系统，其中所述移动微小距离的方法如下： a) 压电执行元件调节至最低端，此电压为初调电压； b) 记录最低端光谱数据为初始光谱； c) 小步距调节压电执行元件，计算当前光谱与初始光谱，所述压电执行元件为位置伺 月艮，通过输入位置指令来控制线阵探测器进行微移动，对入射光的空间位置进行调节，最终 确定光谱成像位置； d) 首次相关度峰值时的调节电压记录为终调电压； e) 将初调电压与终调电压间等分为若干等级，每次解调均对各等级进行测量，以获得 更高的空间分辨率。5. 如权利要求4所述的光纤光栅解调系统，其中所述子步骤b)的具体处理过程如下： 当有256个像素时，则可以得到256个分段积分值：{IO，11，12，........ 1255}，当像素 沿某一方向微动扫描时，得到另一数列：{10'，11'，12'，........1255' }，将此数列前去前 者，得到：UO '-IO，Il '-II，12'-12,...... 1255 '-1255，}，BP {G 卜GO，G2-G1，G3- G2,......};其中GO表示第0位置的光强真值，Gl表示1位置的光强值;对此数列进行求和， 得到{G1-G0，G2-G0，G3-G0，......G255-G0}，这样得到的是第一次微调后的新值，然后是第 二次微调后的新值，如果微调了 N次，就得到N次的插值。
【文档编号】G01J3/02GK105890759SQ201610200413
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】祝连庆, 何巍, 骆飞, 刘锋, 娄小平, 李红
【申请人】北京信息科技大学